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增强热塑性塑料复合管(ReinforcedThermoplasticPipe,简称RTP)是近年来新兴的增强复合管道,在各国引起了高度的重视,并且迅速发展。增强热塑性塑料复合管主要由3层结构组成,内层多为耐磨耐腐蚀适合输送流体的聚乙烯层,可以根据实际需要对内层材料进行改性;中间层为增强层,增强层的材料种类很多,常用的有:钢带、钢丝、芳纶纤维、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维以及芳纶纤维、玻璃纤维与树脂复合成的复合带等,增强层可以根据压力等级,可以多层结构;外层主要起抗划痕、抗静电的保护作用。本课题组自主研发的连续玻璃纤维复合带增强聚乙烯管道(continuousfiberglasscompositetapereinforcedthermoplasticpipe,简称CFT-RTP),以连续玻璃纤维束制成玻纤带作为增强材料缠绕在聚乙烯内管上,外层包覆聚乙烯,三层完全熔合在一起。CFT-RTP主要的优点是耐压、耐腐蚀、质量轻、接头少、成本低,与塑料管道相比可以承受更高的压力,与钢管、铁管比较可以很好地解决腐蚀问题,在承受较高工作压力的基础上,保持了塑料管道柔韧性的特点,可以做成几十米到近千米盘卷的连续管。主要应用在石油、天然气开采、长距离高压输送,以及市政水利等需要较高压力输送介质的管线领域。CFT-RTP在长期使用过程中,将会承受内压载荷、外压载荷、疲劳载荷等因素的影响,还会面临着很多不确定因素的影响,管道的长期安全使用性能面临着巨大的挑战。为了确保管道在长期使用过程中的可靠性和安全性,需要仔细分析CFT-RTP在不同载荷作用下的力学性能,评估其相关的设计安全系数,重点测试出CFT-RTP爆破压力、静液压力、疲劳压力与工作压力之间的系数关系,评估出在不同受力状态下CFT-RTP的长期使用寿命。本文的主要研究内容及结论包括以下几个方面:(1)玻璃纤维在拉伸应力场中长期行为研究玻纤带增强聚乙烯管道中,玻璃纤维作为增强材料起到主要承压作用,要了解CFT-RTP在受力条件下的失效形式和失效机理,首先应该了解玻璃纤维和玻璃纤维复合带在应力场中的行为。目前对于玻璃纤维在长期使用过程中性能以及断裂机理的研究相对较少,玻璃纤维及其复合材料在应力作用下的长期使用寿命尚不清楚。本文在不同的恒定拉伸应力条件下对玻璃纤维及玻璃纤维复合带进行长期拉伸试验,得到不同拉伸应力下玻璃纤维及玻璃纤维复合带的断裂时间,推断出玻璃纤维的临界断裂应力,分析玻璃纤维在拉伸应力场中断裂断口微观形貌,通过断裂力学理论以及化学键理论解释断裂机理。对于山东玻纤集团股份有限公司生产的2400TEX的玻璃纤维,其拉伸断裂强度为1280MPa,拉伸应力场中长期断裂临界值为断裂强度的55.6%,玻璃纤维临界断裂应力为711.68MPa,当拉伸应力低于临界断裂应力时,玻璃纤维将不发生断裂,当拉伸应力大于临界断裂应力时,断裂时间随拉伸应力的增大而减小。玻璃纤维表面处理可以延缓断裂时间,但不会改变临界断裂应力。为保证玻璃纤维的长期使用寿命,其所承受的最大应力不得超过临界断裂应力。(2)CFT-RTP短期爆破失效研究为了确定已开发CFT-RTP的最大承压能力,为CFT-RTP安全使用提供可靠性的理论依据,同时也为了CFT-RTP新产品不同规格的开发与研究,需要分析出CFT-RTP强度分析方法以及相关的计算公式。根据CFT-RTP的特点,在充分地分析了玻璃纤维与塑料两种原材料性能的基础上,对CFT-RTP进行了短期爆破试验。根据对管道试验测试的数据,分析增强层受力情况,从而为管道公称压力的确定提供可靠性依据。管道的爆破试验,可为短期静液压试验、长期静液压试验以及疲劳试验等一系列的管材的测试试验提供可靠的压力分级基础。管道的爆破试验的结果,可以得到CFT-RTP最大承压能力,可初步验证管道爆破强度计算方法的准确性,可以初步预估管道合理的安全系数。通过对管道的爆破试验,分析破坏形式,分析CFT-RTP各层之间熔接性是否良好,CFT-RTP整体性能是否良好。通过对CFT-RTP爆破试验的结果分析,为管道的安全使用提的理论支撑,也为新产品的开发提供了基础参数。CFT-RTP材料及其结构的可设计性,表现在内外层基体可以根据实际工况需求改变材料种类,必要时可以对材料进行改性,增强层的可设计性就更大了,根据压力等级,可以更改增强层纤维类型、增强层体积分数、增强层缠绕角度、增强层层数等参数。根据外界条件和使用要求等,对CFT-RTP结构的形式和尺寸等进行改变,使CFT-RTP满足性能要求的基础上、尽可能的将重量和经济指标做到合理和优化。(3)CFT-RTP长期静压载荷下失效研究CFT-RTP长期静压研究需要解决两个问题:一是在某一温度条件下,在一定的使用寿命范围内,管道所能承受的最大内压载荷是多少?二是在一定温度条件下,管道在某一内压载荷条件下,其长期使用寿命有多长时间?对CFT-RTP在不同内压载荷作用下,检测其失效时间,推断出CFT-RTP长期失效寿命。CFT-RTP在长期静液压力条件下主要由增强层中连续玻璃纤维承压,其受力状态与连续玻璃纤维在拉伸应力场中的受力状态类似。CFT-RTP在长期静液压力条件下的受力状态与纯聚乙烯管道的受力状态不同,不能完全照搬聚乙烯管道压力等级之间的关系。外径110mm,总壁厚10mm,内层壁厚6mm,增强层厚度1.2mm,外层壁厚2.8mm的CFT-RTP在常温条件下的最大长期工作压力为爆破压力的40%(3.3MPa),此压力可以满足CFT-RTP长期使用寿命的要求。CFT-RTP的短期静液压力等于爆破压力的56%,即爆破压力等于短期静液压力的2倍。CFT-RTP的爆破压力等于短期静液压力的2倍,等于最大长期使用压力的2.5倍。(4)CFT-RTP在疲劳载荷下失效研究目前对于CFT-RTP在长期使用过程中疲劳性能以及疲劳失效机理的研究相对较少,CFT-RTP在疲劳应力作用下的长期使用寿命尚不清楚。本文在恒定应力比,不同疲劳平均应力的条件下,对CFT-RTP进行长期压力循环疲劳试验,得到不同疲劳平均应力下CFT-RTP的循环失效次数,推断出CFT-RTP的临界疲劳失效应力,分析断口微观形貌,分析在疲劳应力条件下裂纹扩展机理。所以对于外径110mm,总壁厚10mm,爆破压力8.32MPa的CFT-RTP,在循环振幅±3%,频率10次/min,应力比0.94的条件下,CFT-RTP临界疲劳应力为爆破压力的40.43%及3.364MPa。当疲劳平均应力低于临界疲劳应力时,玻璃纤维将不发生断裂,CFT-RTP不再疲劳失效,当疲劳平均应力高于临界疲劳应力时,失效次数随疲劳平均应力的增大而减小。频率较低时,频率的改变对于CFT-RTP的疲劳几乎没有影响。为保证CFT-RTP的长期使用寿命,其所承受的最大疲劳平均应力不得超过临界疲劳应力。